DE19923925A1 - Synchronmaschine - Google Patents
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Abstract
Synchronmaschinen sind in vielfältiger Form seit langem bekannt. Solche Synchronmaschinen erzeugen beim Generatorbetrieb als auch im Motorbetrieb im Falle eines Kurzschlusses, z. B. einem Kurzschluß an Anschlußklemmen oder auch innerhalb der Statorwicklung, sehr große Kurzschlußdrehmomente. Diese sehr großen Kurzschlußdrehmomentspitzen können hierbei Werte von bis zum sechs- bis achtfachen des Nenndrehmoments der Synchronmaschine erreichen. Dem sehr seltenen Kurzschlußfall und dem damit einhergehenden Auftreten eines sehr großen Kurzschlußdrehmoments muß daher auch bei der mechanischen Konstruktion der Synchronmaschine Rechnung getragen werden. DOLLAR A Es ist Aufgabe der Erfindung, die Synchronmaschine in ihrer Konstruktion zu vereinfachen und die vorgenannten Nachteile zu vermeiden. DOLLAR A Synchronmaschine mit einem Läufer und einem Stator, wobei der Stator wenigstens zwei unabhängige Wechsel-(Dreh-)Stromwicklungen aufweist, die elektrisch und/oder räumlich voneinander isoliert sind.
Description
Synchronmaschinen sind in vielfältiger Form seit langem bekannt. Solche Synchron
maschinen erzeugen beim Generatorbetrieb als auch im Motorbetrieb im Falle eines
Kurzschlusses, z. B. einem Kurzschluß an Anschlußklemmen oder auch innerhalb der
Statorwicklung, sehr große Kurzschlußdrehmomente. Diese sehr großen Kurzschluß
drehmomentspitzen können hierbei Werte von bis zum sechs- bis achtfachen des
Nenndrehmoments der Synchronmaschine erreichen. Dem sehr seltenen Kurz
schlußfall und dem damit einhergehenden Auftreten eines sehr großen Kurzschluß
drehmoments muß daher auch bei der mechanischen Konstruktion der Syn
chronmaschine Rechnung getragen werden.
Synchronmaschinen der vorbeschriebenen Art werden bereits seit langem in Wind
energieanlagen der Firma Enercon verwendet. Bei diesen Windenergieanlagentypen
sind die Synchronmaschinen als Ringgeneratoren ausgeführt, wobei der Generator
läufer innerhalb des Generatorstators routiert und der Generatorläufer direkt am
Rotor der Windenergieanlage angeflanscht ist. Bei einem direkt angeflanschten
Generatorläufer an eine Antriebsmaschine stehen im Kurzschlußfall sehr hohe Kurz
schlußdrehmomente und die Konstruktionen zur Vermeidung von größeren Schäden
mit sehr hohen Kosten und einem sehr großen Wartungsaufwand verbunden.
Bei einer Synchronmaschine, wie sie beispielsweise bei der Windenergieanlage vom
Typ E-40 der Firma Enercon eingesetzt wird, wurde deshalb eine mechanische
Sicherung in Form einer Brechbolzenkupplung entwickelt und eingesetzt. Hierbei ist
der sogenannte Statortragstern (Träger), der den Stator (stehenden Teil des Gene
rators) trägt, über Brechbolzen mit dem ebenfalls feststehenden Achszapfen verbun
den. Im Falle eines Generatorkurzschlusses brechen die Bolzen und erlauben ein Mit
rotieren des Stators um den Achszapfen. Damit wird das übertragene Drehmoment
auf das maximal Vierfache des Nenndrehmoments begrenzt und im Kurzschlußfall
des Generators ist die Sicherheit des Antriebsstranges gewährleistet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die Synchronmaschine in ihrer Konstruktion zu verein
fachen und die vorgenannten Nachteile zu vermeiden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Synchronmaschine mit dem Merkmal
nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den weiteren An
sprüchen beschrieben.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß besondere Sicherungselemente,
wie beispielsweise eine Brechbolzenkupplung nicht notwendig ist, wenn das maxi
male Kurzschlußdrehmoment auf ein Bruchteil dessen begrenzt wird, was bislang
üblich ist. Bevorzugt ist das Kurzschlußdrehmoment bei der erfindungsgemäßen
Synchronmaschine stets kleiner als das zweifache des Drehmoments.
Eine besonders bevorzugte Maßnahme zur Begrenzung des Kurzschlußdrehmoments
besteht darin, daß der Stator wenigstens zwei unabhängige Drehstromwicklungen
aufweist, die elektrisch und/oder räumlich voneinander isoliert sind. Somit ist die
Leistung des Generators auf zwei unterschiedliche Drehstromsysteme aufgeteilt. Bei
zwei unabhängigen Drehstromsystemen übernimmt jedes System nur 50% der
Nennleistung. Ferner werden diese Systeme um einen Winkel von 30° verschoben.
Somit sind beide Drehstromsysteme elektrisch und mechanisch (räumlich) isoliert.
Damit ist aber auch die Reaktanz Xd in etwa verdoppelt und damit der Kurzschluß
strom halbiert. Dies hat den besonderen Vorteil, daß bei einem Kurzschluß in einem
System nur die halbe Kurzschlußleistung auftreten kann. Somit ist eine Reduzierung
des maximalen Kurzschlußmomentes (Kurzschluß von zwei Phasen, z. B. U1 und
V1) um 50% zur bisher üblichen Ein-Systemanordnung möglich.
Eine andere Maßnahme zur Reduzierung des Kurzschlußdrehmomentes ist der Ver
zicht auf einem Dämpferkäfig, zumal die Reaktanzen Xd" und Xd' den dynamischen
Kurzschlußstromverlauf bestimmen. Durch den Verzicht auf den Dämpferkäfig, also
durch den Einsatz einer Schenkelpromaschine ohne Dämpferwicklung kann das
maximale Kurzschlußdrehmoment um ca. 30% verringert werden.
Als weitere Maßnahme zur Verringerung des Drehmoments wird vorgeschlagen,
daß die Polköpfe des Läufers in etwa pfeilförmig ausgebildet sind. Im Falle eines
Kurzschlusses in einer der beiden Drehstromsysteme kann dann der magnetische
Fluß im Erregerpol in Drehrichtung sehr schnell ausweichen. Damit erhält man eine
weiche dynamische Entkupplung des Erregerfluß mit dem Statorfluß innerhalb einer
Nut. Pro Polbreite fließt dann der Kurzschlußstrom nur in zwei von insgesamt sechs
Nuten. Diese dynamische Entkupplung des Erregerflusses reduziert nochmals das
Kurzschlußdrehmoment.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausfüh
rungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Windener
gieanlagen-Gondel mit einem erfindungsgemäßen
Synchrongenerator;
Fig. 2 Querschnitt durch eine bekannte Windenergieanlagen-
Gondel mit einem bekannten Synchrongenerator;
Fig. 3a Teilausriß eines erfindungsgemäßen Synchrongenera
tors;
Fig. 3b Skizze der Phasenleiterverteilung;
Fig. 3c Teilausriß eines bekannten Synchrongenerators;
Fig. 4a Ansicht eines pfeilförmigen Polkopfes;
Fig. 4b Aufsicht auf einen pfeilförmigen Polkopf;
Fig. 5 magnetischer Flußverlauf ohne Kurzschluß;
Fig. 6 magnetischer Flußverlauf mit Kurzschluß;
Fig. 7, 8 Meßaufnahmen im Kurzschlußfall bei Teil- oder Voll-
Last.
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Windenergieanlagen-Gondel mit einem Rotor, welcher
auf einem Achszapfen gelagert ist. Der Rotor ist ohne Getriebe direkt mit einem
Generatorläufer eines Synchrongenerators verbunden. Der Generatorläufer liegt in
nerhalb eines Generatorstators, welcher direkt am Achszapfen angeflanscht ist. Der
Achszapfen, wie der gesamte auf ihm gelagerte Antriebsstrang nebst dem Genera
tor wird von dem Maschinenträger gehalten.
Fig. 2 zeigt eine Windenergieanlagen-Gondel mit einem bekannten Synchrongene
rator bei welchem der Generatorstator von einem Statortragstern getragen wird und
der Statortragstern seinerseits auf dem Achszapfen liegt und mittels einer Brech
bolzenkupplung festgehalten wird.
Im Falle eines Kurzschlusses, z. B. an den Anschlußklemmen oder auch innerhalb der
Statorwicklung (nicht dargestellt), werden sehr große Kurzschlußdrehmomente im
Synchrongenerator erzeugt. Diese sehr großen Drehmomentspitzen, die Werte bis
zum sechs- bis achtfachen (oder darüber hinaus) des Nenndrehmoments erreichen
können, müssen durch die mechanische Konstruktion berücksichtigt werden. Diese
mechanische Konstruktion ist bei der in Fig. 2 dargestellten Windenergieanlage
vom Typ E-40 der Firma Enercon durch eine mechanische Sicherung in Form der
Brechbolzenkupplung realisiert. Im Falle eines Generatorkurzschlusses brechen die
Bolzen und erlauben ein Mitrotieren des Stators um den Achszapfen. Damit wird
das übertragene Drehmoment auf das maximal Vierfache des Nenndrehmoments be
grenzt. Somit wird im Falle eines Kurzschlusses des Generators die Sicherheit des
Antriebsstrangs gewährleistet.
Fig. 3a zeigt im Querschnitt einen Teilausriß einer erfindungsgemäßen Syn
chronmaschine (Synchrongenerator). Hierbei rotiert der Läufer innerhalb des Stators
und die Läuferschenkelpolmaschine weist keinen Dämpferkäfig (Dämpferwicklung)
und keinen Kurzschlußring auf.
Ferner sind zwei unabhängige Drehstromwicklungen U1, V1, W1 sowie U2, V2,
W2 im Stator untergebracht. Die Leistung des Generators wird somit auf beide
Drehstromwicklungen (Drehstromsysteme) aufgeteilt, so daß jedes Drehstromsy
stem nur 50% der Nennleistung zu übernehmen hat. Beide Drehstromsysteme sind
um einen elektrischen Winkel von 30° verschoben und somit elektrisch und mecha
nisch (räumlich) voneinander isoliert. Damit ist aber auch die Reaktanz Xd in etwa
verdoppelt und somit der Kurzschlußstrom halbiert. Das hat den Vorteil, daß bei
einem Kurzschluß in einem Drehstromsystem nur die halbe Kurzschlußleistung auf
treten kann. Damit ist eine Reduzierung des maximalen Kurzschlußmomentes (Kurz
schluß von zwei Phasen, z. B. U1 und V1) um 50% zur einen Systemanordnung
(Stand der Technik) möglich. Fig. 3b zeigt in einer besseren Übersicht die An
ordnung der einzelnen Phasen der zwei unterschiedlichen Drehstromsysteme über
einen größeren Statorbereich.
Fig. 3c zeigt im Querschnitt einen Teilausriß einen bekannten Synchrongenerators
(Typ E-40), bei dem der Generatorläufer mit Dämpferkäfig ausgestattet ist und die
Leistung des Generators von nur einem Drehstromsystem U, V, W aufgenommen
wird.
Die Polschuhe bzw. Polköpfe, die auf den Polkernen des Läufers - wie in Fig. 3a
gezeigt - aufsitzen, sind pfeilförmig ausgebildet, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
Hierbei weist der Polkopf - Fig. 4b - in einer Draufsicht auf die dem Luftspalt
zugewandten Oberfläche die Form eines Pfeils auf. Die in Bewegungsrichtung des
Läufers, die durch einen Pfeil in Fig. 3a gekennzeichnet ist, vordere Kante weist
zwei winklig zueinander angeordnete, zu einer Spitze zusammenlaufende Kantenab
schnitte auf, die in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Läufers und somit der
Polköpfe schräg angeordnet sind. Die Kantenabschnitte sind in Bezug auf die Be
wegungsrichtung des Läufers in einem Winkel von etwa 150° angeordnet. Die in
Bewegungsrichtung des Läufers hintere Kante eines Polkopfes weist ebenfalls in
Bezug auf die Bewegungsrichtung des Läufers schräg angeordnete Kantenabschnit
te auf.
Fig. 5 zeigt die Darstellung des magnetischen Flusses im erfindungsgemäßen Ge
nerator (Läufer → Stator) ohne Kurzschluß. Hierbei verläuft der magnetische Fluß
auf direktem Wege vom Polkopf zum Stator gleichmäßig zwischen den Nuten.
Bei einem Kurzschluß - Fig. 6 - in einer Nut - hier gekennzeichnet mit U2 - müssen
die magnetischen Feldlinien (magnetischer Fluß ϕ ) ausweichen. Die Pfeilform der
Polköpfe erlaubt ein Ausweichen innerhalb des Pols nach rechts und nach links, so
daß sich der magnetische Fluß auf weitere benachbarte Nutstege verteilen kann.
Durch das Ausweichen des magnetischen Flusses im Erregerpol in Drehrichtung er
hält man eine weiche dynamische Entkopplung des Erregerflusses mit dem Stator
fluß innerhalb einer Nut. Pro Polbreite fließt der Kurzschlußstrom nur in zwei von
insgesamt sechs Nuten. Diese dynamische Entkopplung des Erregerflusses reduziert
nochmals das Kurzschlußdrehmoment.
Die Fig. 7 und 8 zeigen Beispiel-Zeitmeßreihen von Rotordrehmoment, Leistung
und Drehzahl eines 1,5 MW Synchrongenerators (Typ E-66, Firma Enercon) bei Teil
last (1200 kW) und Voll-Last (1500 kW) und künstlich verursachtem Generatorkurz
schluß. Die Messungen zeigen, daß das bei allen Betriebszuständen auftretende
maximale Drehmoment durch zweiphasigen Generatorkurzschluß deutlich kleiner ist
als das Zweifache des Nennmoments.
Wie beschrieben, bewirkt die Kombination von verschiedenen Maßnahmen - wenig
stens zwei unabhängige Drehstromsysteme, kein Dämpferkäfig, pfeilförmige Pol
köpfe - die drastische Verringerung des Kurzschlußmomentes, was insbesondere
bei einem Generator zum Einsatz in Windenergieanlagen von sehr großem Vorteil
ist. Einhergehend mit der Verringerung des Kurzschlußmoments ist ein vereinfachter
Maschinenbau möglich, weil die gesamte Statortragkonstruktion - Fig. 1 -
erheblich gegenüber bisherigen Lösungen - Fig. 2 - vereinfacht werden kann.
Claims (13)
1. Synchronmaschine mit einem Läufer und einem Stator,
wobei der Stator wenigstens zwei unabhängige Wechsel(Dreh-)Stromwicklungen
aufweist, die elektrisch und/oder räumlich voneinander isoliert sind.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer keinen Dämpferkäfig bzw. keine Dämpfer
wicklungen aufweist.
3. Synchronmaschine insbesondere nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine Mittel aufweist, die das Kurz
schlußdrehmoment, welches im Falfe eines Kurzschlusses an der Statorwicklung
auftritt, stets auf das maximal Vierfache des Nenndrehmoments, vorzugsweise auf
das Zweifache des Drehmoments, begrenzen.
4. Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kurzschlußdrehmoment stets kleiner ist als das
Zweifache des Nenndrehmoments.
5. Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer im wesentlichen pfeilförmig ausgebildete
Polschuhe aufweist.
6. Synchronmaschine insbesondere nach einem der vorhergehenden An
sprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer und der Stator von einem gemeinsamen
Achszapfen getragen werden und der Stator direkt am Achszapfen angeflanscht ist.
7. Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Stator von einem Träger gehalten wird, daß der
Läufer der Synchronmaschine und der Träger von einem feststehenden Achszapfen
aufgenommen werden und daß der Träger und der Achszapfen als eine bauliche
Einheit ausgeführt sind.
8. Synchronmaschine nach einem vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine ein Synchrongenerator ist
und/oder der Statorträger und der Achszapfen als einstückiges Stahlgußbauteil
ausgeführt sind.
9. Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Stator und dem Achszapfen kein
mechanisches Sicherungselement ausgebildet ist, welches bei einem Kurzschluß
den Stator freigibt.
10. Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das erste Drehstromsystem um einen (elektrischen)
Winkel von etwa 30° zum zweiten Drehstromsystem verschoben ist.
11. Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
mit einer Leistung von wenigstens 100 kW, bevorzugt mit einer Leistung von 500
kW bis 10 MW.
12. Windenergieanlage mit einer Synchronmaschine nach einem der vorherge
henden Ansprüche.
13. Anlage zur Erzeugung von elektrischer Energie mit einer Synchronmaschine
nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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